到0.125英寸。在某些實施例中，圓錐形切割元件在第一徑向位置的曲率半徑的變化范圍的下限可為0.01, 0.02, 0.04, 0.05, 0.06或者0.075英寸中任意一個，上限可為0.05，0.06，0.075，0.085，0.10或者0.0125英寸中任意一個。此外，特殊的實施例可以使用非對稱或傾斜的切割元件，如圖8所示，其中，圓錐形切割元件128的圓錐形切割端部135的軸線與基材134的軸線不同軸。此外，還可期望的是，按照特定的方向傾角將圓錐形切割元件放置在刀翼上(對于給定的非對稱度以及特定圓錐形切割元件的圓錐角)，以使得在圓錐形切割元件的徑向最內(nèi)部分和平行于鉆頭縱軸線的線之間形成有一角度。在各個實施例中，該角度可以為4到45度。在其它實施例中，該角度可以大于O度。在某些實施例中，該角度變化范圍的下限可為0，2，5，10，15，20或30度中的任意一個，上限可為15，20，25，30，35，40或45度中的任意一個，其中，任何的下限都可以與任何的上限組合使用。通過將圓錐形切割元件放置在這樣的徑向位置，由于圓錐形切割元件能夠在巖芯中產(chǎn)生凹口而可使得形成在鉆頭中心區(qū)域中的巖芯的芯強(qiáng)度變?nèi)酢?br>[0053]參照圖9，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)切割元件930與非平面切割元件920組合使用能夠使單個鉆頭具有兩種類型的切割動作(由虛線表示):如圖9示意性地示出，由非平面切割元件920對地層進(jìn)行的壓力壓裂或刨削產(chǎn)生的切割，以及由旋轉(zhuǎn)切割元件930對地層進(jìn)行的剪切產(chǎn)生的切割。
[0054]通常，當(dāng)將旋轉(zhuǎn)切割元件設(shè)置在井下切割工具、例如鉆頭或鉸刀擴(kuò)孔器的刀翼上時，旋轉(zhuǎn)切割元件可以嵌入到切割器凹口(或者在非平面切割元件的情況下的孔)中以改變切割器碰擊地層的角度。例如，切割器的后傾角(即垂直方位)和側(cè)傾角(即側(cè)向方位)可以被調(diào)整。通常，后傾角被限定為形成在旋轉(zhuǎn)切割元件142的切割面和與正被切割的地層材料正交的線之間的角度150。如圖10所示，在旋轉(zhuǎn)切割元件142具有零度的后傾角的情況下，切割面44基本上垂直于或正交于地層材料。當(dāng)從地層材料測量時，具有負(fù)的后傾角150的切割器142的切割面44以小于90°的角與地層材料接合。類似地，當(dāng)從地層材料測量時，具有正的后傾角的旋轉(zhuǎn)切割元件的切割面以大于90°的角與地層材料接合。根據(jù)本公開的各個實施例，旋轉(zhuǎn)切割元件的負(fù)的后傾角可為>5度，>10度，>15度，>20度，>25度，>30度，和/或〈10度，〈15度，<20度，〈25度，〈30度，〈35度，其中，任意的上限可以與任意的下限組合使用。
[0055]此外，在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角范圍可為O到±45度，例如5到±35度，10到±35度或者15到±30度。在一個特殊的實施例中，側(cè)傾角的方向(正或負(fù))可以基于切割元件的分布而進(jìn)行選取，即，根據(jù)旋轉(zhuǎn)切割元件是以前螺旋還是以后螺旋結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行選取。此外，側(cè)傾角可以基于切割元件沿著刀翼的位置(例如在圓錐區(qū)域中，肩部區(qū)域中，冠頂區(qū)域中，等等)而進(jìn)行選取。例如，在某些實施例中，放置在鉆頭的冠頂和/或肩部區(qū)域中的每個旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角的范圍可為10到30度或者-10到-30度。在其它實施例中，放置在鉆頭的冠頂和/或肩部區(qū)域中的每個旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角范圍可為20到30度或者-20到-30度。在某些實施例中，徑向上位于肩部外側(cè)、即徑規(guī)區(qū)域中的旋轉(zhuǎn)切割元件的側(cè)傾角的范圍可為5到35度或-5到-35度。在更特殊的實施例中，徑規(guī)區(qū)域中的旋轉(zhuǎn)切割元件可以為>5度，>10度，>15度，>20度，>25度，>30度，和/或〈10度，〈15度，〈20度，〈25度，〈30度，〈35度，其中，任意的這些角度可以為正的或負(fù)的，并且任意的上限可以與任意的下限組合使用。此外，在某些實施例中，旋轉(zhuǎn)切割元件可以放置在鉆頭的圓錐區(qū)域中，側(cè)傾角可小于20度或者在更特殊的實施例中為10到15度。在各個實施例中，切割元件可以固定地連接或者可以滾動，但是如果固定或滾動的話可以具有這樣的側(cè)傾角?？梢悦鞔_地理解的是，任意區(qū)域的任何側(cè)傾角都可以單獨使用或者與其它區(qū)域的任何其它范圍組合使用。
[0056]然而，非平面切割元件不具有切割面，因此非平面切割元件的方位必須被不同地定義。當(dāng)考慮圓錐形切割元件的方位時，除了切割元件本體的垂直或側(cè)向方位，切割端的非平面幾何形狀還會影響非平面切割元件如何以及以什么樣的角度碰擊地層。具體地，除了影響非平面切割元件與地層相互作用的侵蝕性之外，切割端幾何形狀(具體地為，幾何形狀類型，頂點角度，曲率半徑)明顯地影響了非平面切割元件撞擊地層的侵蝕性。在如圖11所示的圓錐形切割元件的情況下，后傾角被定義為形成在圓錐形切割元件144的軸線(具體地為圓錐形切割端的軸線)和與正被切割地層材料正交的線之間的角度150。如圖11所示，對于后傾角為零的圓錐形切割元件144來說，圓錐形切割元件144的軸線基本上垂直于或正交于地層材料。當(dāng)從地層材料測量時，具有負(fù)的后傾角角度150的圓錐形切割元件144的軸線與地層材料成小于90°的角度接合。類似地，當(dāng)從地層材料測量時，具有正的后傾角角度150的圓錐形切割元件144的軸線與地層材料成大于90°的角度接合。這種方位可以被用于描述所有的非平面切割元件的后傾角。在一個特殊的實施例中，非平面切割元件的后傾角角度可以為零，或者在其它實施例中可以為負(fù)的或正的。在實施例中，非平面切割元件的后傾角范圍可為-35到35度，在其它實施例中可為-10到10度，在另外的其它實施例中，可為零到10度，在另外的其它實施例中可為-5到5度。此外，在這里公開的實施例中使用的非平面切割元件的后傾角角度可以從這些范圍內(nèi)的一個或多個后傾角角度的組合中選取。
[0057]除了軸線相對于地層的方位以外，非平面切割元件的侵蝕性還可依賴于頂點角，或者具體地依賴于地層和非平面切割元件的前緣部分之間的角度。對于圓錐形切割元件(然而，應(yīng)用于所有的非平面形狀，包括其它尖的或圓頂形狀)來說，由于圓錐形切割元件具有圓錐形狀，因而不存在前緣；然而，圓錐形切割表面的前緣線可以被確定為圓錐形切割元件隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)沿著圓錐形切割端表面在每個軸向點上最前的點。換種方式，如圖12所示，示出沿著鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的平面截出的圓錐形切割元件的剖視圖。在該平面中的圓錐形切割元件144的前緣線145可被看作與地層相關(guān)。圓錐形切割元件144的沖擊角被定義為形成在圓錐形切割元件144的前緣線145和正被切割的地層之間的角度155。沖擊角會根據(jù)后傾角和圓錐角變化，由此，圓錐形切割元件的沖擊角可以被計算為后傾角加上一半的圓錐角(即，沖擊角=(0.5*圓錐角)+后傾角)，其中，如果如圖11所示后傾角150為負(fù)，那么該公式將向(0.5*圓錐角)值增加負(fù)值。在實施例中，沖擊角155的范圍可為大約5到100度，并且在其它實施例中可為大約20到65度。此外，在這里公開的實施例中的圓錐形切割元件(或者其它非平面切割元件)的沖擊角可以從這些范圍內(nèi)選取。
[0058]例如，非平面切割元件區(qū)域和旋轉(zhuǎn)切割元件區(qū)域的組合，例如如上所述的那些組合，可以用在諸如刮刀鉆頭(例如如圖4所示)、鉸刀擴(kuò)孔器或雙心鉆頭之類的井下切割工具上。根據(jù)本公開的實施例，井下切割工具可具有工具本體，工具本體具有從其中延伸通過的縱軸線和切割端。如這里使用的，井下工具的切割端指的是工具與井眼底部接觸并且切割底部的縱向端部，而連接端與切割端相反并且與將工具連接到地上設(shè)備的鉆柱最接近。多個刀翼可從工具本體在方位角上延伸，并且多個切割元件可設(shè)置在多個刀翼上。切割元件包括至少一個旋轉(zhuǎn)切割元件和至少一個非平面切割元件，其中，該至少一個非平面切割元件位于最接近于切割端的刀翼區(qū)域中。在一個或多個實施例中，非平面切割元件可以是圓錐形切割元件或其它尖形切割元件。
[0059]例如，在某些實施例中，井下切割工具可以是具有工具本體的雙心鉆頭，其中，工具本體具有位于工具的切割端的引導(dǎo)段以及在縱向上偏離引導(dǎo)段的鉸刀擴(kuò)孔器段。多個引導(dǎo)刀翼可從工具本體的引導(dǎo)段延伸，并且多個鉸刀擴(kuò)孔器刀翼可從工具本體的鉸刀擴(kuò)孔器段延伸。例如，圖13示出了根據(jù)本公開的實施例的雙心鉆頭的側(cè)視圖。如圖所示，雙心鉆頭101包括引導(dǎo)段106，所述引導(dǎo)段106具有從其延伸的引導(dǎo)刀翼108和位于引導(dǎo)刀翼108的軸向上遠(yuǎn)離鉆頭101的切割端103的端部處的徑規(guī)墊112。鉸刀擴(kuò)孔器段107具有從其延伸的鉸孔刀翼111并且徑規(guī)墊117與引導(dǎo)段106縱向偏離。如圖所示，引導(dǎo)段106與鉸刀擴(kuò)孔器段107分離開一個縱向距離，該縱向距離可以包括間隔器102。然而，其它雙心鉆頭可以具有與鉸刀擴(kuò)孔器段相鄰的引導(dǎo)段。多個非平面切割